临床实验室的分析误差

孔雀明王

   冯仁丰
       多年前，我在临床检验质量管理技术基础（第二版）上写了“分析误差概念更新”。去年，我在上海的“检验医学”上重新改写了“分析误差概念更新”的内容。最近，我重新阅读国家标准GB/T 6379系列（即ISO 5725系列文件），该系列标准文件名称为：测量方法与结果的准确度（正确度和精密度）。期望从中对分析领域中的“准确度”、“正确度”、和“精密度”概念有进一步的认识。
        实在是因为我们临床实验室在对病人样品检测时的“习惯”过于简单，对每个病人样品的每个申请的分析物或分析项目，只做一次检测就发出报告。在全世界还找不出第二个行业是这样做的。长期以来，我们在认识每个结果可靠性时，使用了“准确度”表示结果的准确，以“精密度”表示结果的重复性。今天，我们的领域紧跟着世界潮流也开始使用了“正确度”。如果我们不认真学习，只是表面上接受，这会引入不少深层次的问题。
        暂且离开临床实验室的实际做法，按照分析的理想状态，即对某个样品进行规范和许多次的检测后，按照国家标准GB/T 6379系列文件，在报告检测结果时引出标准对这些概念的解释；然后，再结合临床实验室的情况，也许可以让我们临床实验室对它们有较好的理解。
一、GB/T 6379对术语“正确度”与“精密度”的解释
        1、GB/T 6379用两个术语“正确度”与“精密度”来描述一种测量方法的准确度。正确度指大量测试结果（算术）平均值与真值或接受参照值之间的一致程度；而精密度指测试结果之间的一致程度。
        考虑精密度的原因主要是因为假定在相同条件下对同一或认为是同一的样品进行检测，一般不会得到相同的结果。这主要是因为在每个检测程序中不可避免的会出现随机误差，而那些影响测量结果的因素并不能完全被控制。在对检测数据进行实际解释过程中，必须考虑这种变异。例如，检测结果与规定值之间的差可能在不可避免的随机误差范围内，在此情形，检测值与规定值之间的真实偏差是不能确定的。类似的，当比较两个样品的检测结果时，如果它们之间的差异是来自检测程序中的内在变化，则不能表示这两个样品的本质差别。
        2、影响精密度的多个因素（除假定相同的样品之间的差异外）都能够引起检测方法的结果变异，它们包括：
     a）操作人员；
     b）使用的设备；
     c）设备的校准；
     d）环境（温度、湿度、空气污染等）：
     e）不同测量的时间间隔。
        由不同操作人员所做的检测和在不同设备上进行的检测通常要比在短时间内由同一个操作人员使用相同的设备进行检测产生的变异大。
        3、描述重复测量结果之间的变异的一般术语是精密度。精密度的两个条件，即重复性和再现性条件对很多实际情形是必需的，对描述检测方法的变异是有用的。
        在重复性条件下，上面所列的因素a）到e）皆保持不变，不产生新的变异；而在再现性条件下，它们是变化的，能引起检测结果的变异。因此重复性和再现性是精密度的两个极端情况：重复性描述变异最小情况，而再现性则描述变异最大情形。当因素a）到e）的一个或多个允许变化时，位于精密度的上述两个条件的其他中间条件也是可以想象的，它们可用于某些特定的环境。精密度通常用标准差表示。
        4、当已知或可以推测所检测特性的真值时，检测方法的正确度即为人们所关注。尽管对某些检测方法，真值可能不会确切知道，但有可能知道所测量特性的一个接受参照值。例如，可以使用适宜的标准物质或者通过参考方法在参考实验室对某样品进行检测，使该样品的某分析物具有可接受的参考值。通过将检测方法给出的结果与可接受参考值进行比较就可以对检测方法的正确度进行评定。正确度通常用偏移来表示。例如，在化学分析中，如果所用的测量方法不能测出某种元素的全部，或者由于一种元素的存在而干扰了另一种元素的确定，就会产生偏移。
        5、ISO 5725中使用的一般术语“准确度”，既包含准确度也包含精密度。
        “准确度”这一术语在过去一段时间只用来表示现在称为正确度的部分；但是，它不仅包括检测结果相对于参考（标准）值的系统影响，也应包括随机的影响。
二、GB/T 6379系列的有关术语
        引入的各个词语的定义时，我不做修改。但是，为了与目前在临床实验室对这些内容的理解一致时，在以下插入的“我的解释”中，我改用了平时使用的说法。请谅解。
1、观测值（obeserved value）
        作为一次观测结果而确定的特性值。（引自GB/T 3358.1—1993）
2、测试结果（test result）
        用规定的测试方法所确定的特性值。（引自GB/T 3358.1—1993）
        注1 测试结果宜指明观测是一个还是多个，报告的测试结果是观测值的平均值还是它的其他函数（例如中位数或标准差）。它可以要求适用的标准进行修正，如气体容积按标准温度和压力进行修正。因此一个测试结果可以是通过几个观测值计算的结果。在最简单情形，测试结果即为观测值本身。
        -- 我的解释：其实，今天的临床实验室对每个样品只做一次报告结果的做法，就是该文件讲的最简单情形，检测结果就是观察值本身。
3、精密度试验的测试水平（level of the test in a precision experiment）
        对某测试物料或试样，所有实验室测试结果的总平均值。
4、精密度实验单元（cell in a precision experiment）
        由一个实验室在单一水平下获得的测试结果。
5、接受参照值（acceptable reference value）
        用作比较的经协商同意的标准值，它来自于：
     a）基于科学原理的理论值或确定值；
     b）基于一些国家或国际组织的实验工作的制定值或认证值；
     c）基于科学或工程组织赞助下合作试验工作中的同意值或认证值；
     d）当a）b）c）不能获得时，则用（可测）量的期望，即规定测量总体的均值。
        -- 我的解释：我们开展的精密度实验就是直接对病人样品的反复检测，所有检测结果的均值即该精密度实验的检测水平；如果这是在一个实验室进行的精密度实验就是标准文件所指的第3.4点：精密度实验单元。我们平时检测的都是病人样品或控制品，不是如标准讲的去检测具有参考值的样品。
6、准确度（accuracy）
        测试结果与接收参照值的一致程度。（改自GB/T 3358.1—1993）。
        注2：术语准确度，当用于一组测试结果时，由随机误差分量和系统误差即偏移分量组成。
7、正确度（trueness）
        由大量测试结果得到的平均值与接收参照值间的一致程度。
        注3：正确度的度量通常用术语偏移表示。
        注4：准确度曾被称为“平均数的准确度”，这种用法不推荐。
        -- 我的解释：请注意这两个词语定义上的不同。正确度是大量检测结果均值与参考值的一致程度。这也是我们以往将这样的做法理解为“准确度”。“准确度”定义是检测结果与参考值的一致程度。注意：它用了“测试结果”不是“观测值”。上述定义中，观察值是一次观测结果而确定的特性值；测试结果是用规定的测试方法所确定的特性值。在测试结果定义下的注解中说得很清楚：测试结果宜指明观测是一个还是多个，报告的测试结果是观测值的平均值还是它的其他函数。它可以要求适用的标准进行修正。一个测试结果可以是通过几个观测值计算的结果。因此，测试结果在绝大多数的分析中，它不等于观测值。只有在最简单情形下，测试结果才即为观测值本身。而恰恰是临床实验室，正好属于这个最简单的情况！但是，我们临床实验室自己也知道，单凭一次检测出的报告就说准不准，似乎太粗糙了。因此，尽管发出报告是只做一次的结果，但真正在评估检测系统的准确度时，我们许多年来，一直对样品要多做几次，取均值与公认的参考值去比较。但是，这样的做法与“准确度”的定义有矛盾了，因为，准确度是检测结果与参考值的一致程度，我们是分析领域最简单的做法，即将单词观测值就作为检测结果发出的。那么，准确度在我们的临床实验室就是：单次检测值（结果）与参考值的一致程度。可是，我们的习惯做法却与这样的定义不同！对这样的矛盾表现，直至本世纪引入溯源性和叙述检测结果的可靠性时，在ISO 17511和美国CLSI的EP15文件上，正式使用“正确度（trueness）”替代“准确度（accuracy）”。
8、偏移（bias）
        测试结果的期望与接收参照值之差。
        注5：与随机误差相反，偏移是系统误差的总和。偏移可能由一个或多个系统误差引起，系统误差与接收参照值之差越大，偏移就越大。
9、实验室偏移（laboratory bias）
        一个特定的实验室的测试结果的期望与接受参照值之差。
10、测量方法偏移（bias of the measurement method）
        所有采用该方法的实验室所得测试结果的期望与接受值之差。
        注6：实际操作中的例。如测量某化合物中硫的含量，由于测量方法不可能提尽所有的硫，因此该测量方法将有一个负的偏移。对很多使用相同的方法的不同的实验室得到的测试结果求平均值，就可用来测定该测量方法的偏移。测量方法的偏移在不同水平下可以是不同的。
11、偏移的实验室分量（laboratory component of bias）
        实验室偏移与测量方法偏移之差。
        注7：偏移的实验室分量是针对特定实验室和实验室所具有的测量条件的，在不同的测试水平下也可以是不同的。
        注8：偏移的实验室分量与测试结果的总平均值有关，而与真值或标准差无关。
-- 我的解释：
        1、需要说明：我国原先的标准上对bias的翻译用词为偏倚，最新标准的翻译为“偏移”务请注意。
        2、请注意标准将偏移分为“实验室偏移”和“测量方法偏移”。“实验室偏移”指的是某个参与的实验室，它对某个样品报告的检测结果与参考值的差。而“测量方法的偏移”是所有该方法的实验室所得检测结果与参考值的差。这个提法很清楚地说明了，对于某个检测系统正确度的评估，需要有多个都使用该检测系统的实验室共同实验，大家都检测相同的样品、相同的操作程序等，只是在不同实验室实验。归纳所有实验室的结果，来评估该检测系统的正确度，才是国家标准GB/T 6379系列文件（即ISO 5725系列文件）的最正确的评估“正确度”的做法；这是被评估的检测系统的“正确度”。这不是一个实验室可以做到的。
12、精密度（precision）
        在规定条件下，独立测试结果间的一致程度。（改自GB/T 3358.1—1993）
        注9：精密度仅仅依赖于随经济误差的分布而与真值或规定值无关。
        注10：精密度的度量通常以不精密度表达，其量值用测试结果的标准差来表示，精密度越低，标准差越大。
        注11：“独立测试结果”指的是对相同或相似的测试对象所得的结果不受以前任何结果的影响。精密度的定量的测量严格依赖于规定的条件，重复性和再现性条件为其中两种极端情形。
13、重复性（repeatability）
        在重复性条件下的精密度。（改自GB/T 3358.1—1993）
14、重复性条件（repeatability conditions）
        在同一实验室，由同一操作员使用相同的设备，按相同的测试方法，在短时间内对同一被测对象相互独立进行的测试条件。（引自GB/T 3358.1—1993）
15、重复性标准差（repeatability standard deviation）
        在重复性条件下所得测试结果的标准差。（引自GB/T 3358.1—1993）
        注12：重复性标准差是重复性条件下测试结果分布的分散性的度量。
        注13：类似地可定义“重复性方差”与“重复性变异系数”，作为重复性条件下测试结果分散性的度量。
16、再现性（reproducibility）
         在再现性条件下的精密度。（改自GB/T 3358.1—1993）
17、再现性条件（reproducibility conditions）
        在不同的实验室，由不同的操作员使用不同设备，按相同的测试方法，对同一被测对象相互独立进行的测试条件。（改自GB/T 3358.1—1993）
18、再现性标准差（reproducibility standard deviation）
        在再现性条件下所得测试结果的标准差。（引自GB/T 3358.1—1993）
        注15：再现性标准差是在再现性条件下测试结果分布的分散性的度量。
        注16：类似地可定义“再现性方差”与“再现性变异系数”，作为再现性条件下测试结果分散性的度量。
        -- 我的解释：在精密度上，希望注意的是“重复性”和“再现性”的精密度含义。重复性的精密度可以理解为实验室内的批内重复性实验。但是再现性的精密度，要注意“再现性条件”是在不同的实验室，由不同的操作员使用不同设备，按相同的测试方法，对同一被测对象相互独立进行的测试条件。它的含义超出了实验室现有的“天间”精密度实验条件。
三、GB/T 6379准确度试验的基本要求
        一个检测系统结果是否准确包含了正确和精密两方面。文件为如何进行准确度试验有如下的叙述。
        1、首先要被评估的检测系统或检测方法标准化。必须有书面文件规定如何进行检测的所有细节，包括如何获得和准备样品的内容。
        2、需要有不同实验室参与，由参加试验的实验室报告的系列检测结果确定该检测系统或检测方法的准确度。这样一个不同实验室间的试验称为“准确度试验”。准确度试验根据其限定目标也可称为“精密度试验”或“正确度试验”。如果目标是确定正确度，那么应事先或同时进行精密度试验。
        3、因为是多个实验室的协同试验，分送给各个实验室的样品应该是相同的，样品在运输过程中和在实际检测前所耗费的时间须保持相同。
        4、根据重复性条件的定义（3.14）确定重复性的测量必须在恒定条件下进行，即在整个测量时间段内，在前述所列的那些因素必须保持不变。特别，设备在两次测量之间不应重新校准，除非校准是单个测量中一个基本的组成部分。在实际中，在重复性条件下进行的试验宜在尽可能短的时间间隔内进行以便使那些不能总是保证不变的因素，比如环境因素的变化
最小。
        5、GB/T 6379 的一个基本假定是对一个标准测量方法而言，重复性对使用这个标准程序的每个实验室应该至少是近似相同的，这样可以允许建立一个共同的平均重复性标准差，它适用于任何实验室。然而，每个实验室在重复性的条件下进行一系列观测时，都能就该测量方法得到一个自己的重复性标准差的估计值，并可据此与共同的标准差的值来校准该估计值。
        6、为了满足正确估计准确度和精密度，需要有一定数量的实验室参与。实验室数量完全取决于检测方法的标准化程度、考虑检测方法的稳健性、需要检测样品水平数、期望达到的不精密度估计和偏移估计的水平等。实验室个数少于5个的资料，在标准文件中没有任何可以进行数据处理的内容。
        7、上述内容告诉我们，获得分析结果的准确度是一件非常复杂的事。首先，这个“准确度”是检测系统或检测方法的，它不属于参与实验工作的实验室所有。为此，必须由具有相同检测系统的多个实验室参与，并应有完整设计、和合适的统计方式，才能得到对“准确度”的大致估计。这个估计随着被估计的检测系统或检测方法的标准化程度、参与实验室的个数、准确度试验方案设计的完整性、试验设计的临床决定水平的选择、参与试验人员的能力、各个实验室的相互协调的配合、以及实验时环境条件的相似性等等，使“准确度”估计结果在以后的应用中具有价值是非常重要的因素。
四、GB/T 6379精神在临床实验室中的体现
1、实现量值溯源性的必要步骤。
        “为了使检验医学量的测量得到正确的医学应用、不论在何时何地都具有可比性，量值必须有明确的定义、报告给医生或其他卫生人员及病人的结果必须准确（正确和精密）”。（ISO 17511）这是使病人标本的检测结果可溯源至参考物质或参考方法，是实现这个目标的必要步骤。
2、临床实验室以往的认识与“准确度”定义有矛盾。
        针对临床实验室对每个样品只做一次检测的做法，在分析检测结果具有的误差时，临床实验室已经习惯用以下方式来表示：尽管对病人样品只作一次为临床提供报告，但是，在分析检测结果中具有的误差时，我们还是采取了对某分析样品多做几次检测。假定所有重复检测结果呈正态分布，则可以用均值表示所有结果的集中趋势，以标准差表示所有结果对于均值的离散程度的指标。将均值与参考值的差偏移（Bias）视为不准确度，表示为系统误差；以2s表示该检测系统对于样品浓度在均值下各个检测结果对于均值的离散分布可能性，即不精密度为随机误差。问题是：通过方法比对实验来确定各个样品检测结果的均值和它们的理想总均值(靶值）的差异确定为该检测系统在样品均值浓度下的不准确度。它是系统误差的表现，称为(Bias）偏移。这个说法与准确度的定义有否矛盾？总误差究竟是什么？当今，提出准确度（Accuracy)和正确度（Truness）的概念，与总误差的关系是什么？为什么要提出正确度?它的意义究竟是什么？
3、准确度和正确度的定义是解决临床实验室长期的困惑。
        不论临床实验室的检测结果是对样品仅作一次检测就报告的。该结果的准确度就是：这个检测结果与真值的一致性称为准确度。度量准确度的是不准确度。那么，按照前述：我们在评价检测系统的不准确度时，是对多个样品进行方法比对实验，结果是观察两个方法的均值的差异大小度量为不准确度。注意：这里是均值间的比较！但是，不准确度的概念是：检测结果与某真值(可以是参考值、或可信方法值）的不一致性。两者有着显著的不同！
        其实，在临床实验室，环绕准确度的定义一直是使人长期困惑的。按照定义：每个样品的检测结果，如果与该样品某项目的参考可信值的一致，就可认为是准确的；如果不一致，有差异，这就是不准确度。
        但是，在进行准确度评价时的方法学比较，t 检验的均值间比较、还是回归分析的系统误差的计算（回归分析的本质就是对多例样品比对以回归分析作“平均”分析），都是均值间的比较。将一个方法视为可靠方法，它的均值犹如参考值，另一个方法与之比较的差异被看作不准确度！
        在ISO的标准化协调下，依然保持了准确度的定义。但是，将方法学比较的均值间一致性引出了“正确度”概念。所以引出正确度是解决困惑的关键。
4、准确度和误差
        1）没有检测（测量）无从说起准确度。所以在定义上完整的表达为检测准确度。度量准确度是以不准确度的大小来表示。不准确度（inaccuracy）定义为：检测值与真值的数量上的差异。
        2）检测误差（error of measurement）简称为误差（error）。定义为：检测结果减去参考量值（通用计量术语及定义2007）。这两个词语含义相同。均说明凡是检测结果对于真值或可接受参考值的偏离或差异就是“不准确”。检测准确度的好坏确实是以不准确度来度量的。
        由于真值不能确定，误差也只能通过约定真值近似地评定，称为误差的估计。误差往往由若干分量组成。其合成只有一种形式，即各误差分量的代数和。如果把这些分量分为随机误差和系统误差[VIM; 3.13]，则误差即是这两类误差的代数和，也即测量结果等于真值加随机误差加系统误差。因此，上述的不准确度度量的就是检测结果的误差。失误（差错）不应视为误差。
        3）检测准确度在临床的体现。病人和医生认为：只要检验结果和认可的可接受值有差异，就是不准确。这是以人为本的非常实际的认识。“结果准不准？不准的结果一定有误差。”
        4）不准确度的度量。报告结果的“准确度”的好坏，实际上就是以估计总分析误差的方式，用“不准确度”予以度量。临床检验对每个病人样品只作一次测定时，差异或偏离不仅包括检测系统分析过程的不正确度，也包括了分析过程的不精密度。
即：分析过程不准确度 ＝ 分析过程不精密度 ＋ 分析过程不正确度
也即：不准确度＝总误差 ＝ 分析过程的随机误差 ＋ 分析过程的系统误差
5、正确度和偏移
        1）测量正确度（measurement trueness , trueness of measurement）简称正确度(trueness)。为无穷多次重复测量所得量值的平均值与一个参考量值间的一致程度。（通用计量术语及定义2007）。注：测量正确度与系统测量误差有关，与随机测量误差无关。术语“测量正确度”不应用于“测量准确度”，反之亦然。
        2）系统测量误差（systematic measurement error）简称系统误差（systematic error）。定义为重复测量中保持恒定不变或按可预见方式变化的测量误差的分量。系统测量误差等于测量误差减随机测量误差。测量偏移（measurement bias）简称偏移（bias），是系统测量误差的估计值。（通用计量术语及定义2007）。
可以表达为：系统误差＝—X
        式中X 为被测量，这里用以表示真值。很明显，只是真值与系统误差的代数和，其差自然是系统误差。
        正确度和系统误差的定义都指出：评估检测不正确度时均使用重复检测结果的均值。因此，这些均值对于真值、参考值、或某设定的比较方法结果均值间的差异，即偏移就成为估计的误差量。
        了解分析过程的正确度，必须在去除了检测中不精密度后的检测均值，以它和可以接受的值（真值）比较的偏倚，说明不正确度的大小，以此度量正确度是最可靠的。偏移使检测结果偏高或偏低，有一定的大小。这类误差有一定的方向和大小，故称为系统误差。有系统误差的结果是不正确的。
6、精密度和标准差
        1）精密度的定义如前述。精密度的程度通常用与精密度相反的检测不精密度统计量表示，如标准差和变异系数。  
        2）严格来说，随机误差＝—
        式中，为被测量X 的某一个检测结果，为重复性条件下无限多次的检测结果的平均值。很明显，由于等于真值、系统误差与随机误差这三者的代数和，而等于真值与系统误差的代数和，在中的随机误差为零。
7、总误差的真实含义
        曾经有文件定义总误差为能影响分析结果准确度的确定误差的组合；这样定义的总误差在临床实验室很长时间内就是表达为偏倚和不精密度的和。从本质上，总误差即检测的不准确度。
8、目前临床实验室对误差估计的水平。
        说到这里，我想现在大家应该可以对准确度即正确度和精密度之和有了理解了。可是，我还想提醒各位，在临床实验室检测习惯下进行的“准确度”、“正确度”和“精密度”估计，我们仅仅是GB/T 6379要求的准确度估计的一点点皮毛，非常非常的粗浅和有问题。但是，总算在描述一个检测系统的做法上，与其他分析领域的做法是接近了。
                                         摘自定向点金《临床实验室》杂志2013年第六期
                                                                    编辑：范伟伟